[发明专利]一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法

摘要

本发明涉及一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法，属于环境保护与资源综合利用技术领域。首先根据河流管理部门规定的河流生态流量要求，确定水库生态用水调度的优化目标，结合优化变量与约束条件，建立水库生态用水调度优化模型，构造多目标的权重集合，将多目标化成单目标进行求解；然后根据经济社会和生态缺水率的分析，确定优化供水方案；最后根据优化的经济社会和生态供水量，按比例进行生态库容的计算。本发明弥补了传统供水水库库容设置未能考虑生态供水的弊端，符合未来水库进行生态用水调度的需求；根据优化模型结果计算，能够得到更为合理的生态库容，具有理论意义明确、可操作性强、容易得到实际应用的优点。

主权项

一种面向环境保护的单一供水水库的生态库容确定方法，其特征在于该计算方法包括以下各步骤：(1)根据河流管理部门的要求，分别确定供水水库下游河流的生态控制断面各月份的生态需水量其中k为月份，k＝1,2，…，12，将各月份的生态需水量作为生态流量目标；(2)建立一个水库生态用水调度优化模型，优化模型的目标函数为：$\mathrm{MinZ}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(w_1{W}_{\mathrm{Dlack}}^i+w_2{W}_{\mathrm{Ilack}}^i+w_3{W}_{\mathrm{Alack}}^i)+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_4{W}_{\mathrm{elack}}^j$上式中：为供水水库的第i个供水区的生活缺水量，为第i个供水区的工业及城市缺水量，为第i个供水区的农业缺水量，为供水水库下游河流的第j个生态控制断面的生态缺水量，w₁、w₂、w₃、w₄为权重系数，通过随机或人工生成，满足w₁+w₂+w₃+w₄＝1，n为由供水水库供水的供水区总数，m为水库下游河流的生态控制断面总数；(3)设定关于供水水库、供水水库所在河流、供水区、水库下游河流的生态控制断面、汇流节点和渠道的优化模型的约束条件，如下：供水水库：V(t+1)＝V(t)+W_{res_in}(t)‑W_{res_out}(t)‑W_{res_sup}(t)‑L_res(t)V_ds≤V(t)≤V_maxW_{res_out}(t)≤Q_{res_max}W_{res_sup}(t)≤Q_dmax供水水库所在河流：W_{riv_in}(t)＝W_{riv_out}(t)+L_riv(t)W_{riv_in}(t)≤Q_{riv_max}W_{riv_out}(t)≤Q_{riv_max}供水区：W_sup(t)＝W_con(t)+W_ret(t)W_sup(t)＝W_dem(t)‑W_lack(t)生态控制断面：W_eco(t)＝W_edem(t)‑W_elack(t)+W_einc(t)汇流节点：$W_{\mathrm{con}\_\mathrm{out}}\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{con}\_\mathrm{in}}^l\left(t\right)$渠道：W_sup(t)＝(1‑α)×W_{res_sup}(t)其中，t为优化模型的时段指标，t＝1，2，…，T，T为模型计算的总时间，V(t)、V(t+1)分别为第t时段和第t+1时段的供水水库的蓄水量，W_{res_in}(t)、W_{res_out}(t)、W_{res_sup}(t)、L_res(t)分别为第t时段的供水水库的入流量、下泄流量、向供水区的供水量和损失量，V_ds为供水水库的下限库容，V_max为供水水库的上限库容，Q_{res_max}为供水水库的下泄能力，Q_dmax为供水水库的引水能力，W_{riv_in}(t)、W_{riv_out}(t)、L_riv(t)分别为第t时段的供水水库的上游河流入流量、下游河流出流量和所在河流的损失量，Q_{riv_max}为下游河流的过流能力，W_sup(t)、W_con(t)、W_ret(t)、W_dem(t)、W_lack(t)分别为第t时段供水区得到的供水量、耗水量、回归下游河流的水量、需水量和缺水量，W_eco(t)、W_edem(t)、W_elack(t)、W_einc(t)分别为第t时段供水水库下游河流的生态控制断面的生态供水量、需水量、缺水量和加大量，W_{con_out}(t)为第t时段汇流节点的出流量，表示第t时段汇流节点的第l个分支入流量，N为流入同一汇流节点的分支总数，α为渠道的损失系数，取值范围为0‑1的实数，上述约束条件中，供水水库的下限库容、供水水库的上限库容、供水水库的下泄能力、供水水库的引水能力、下游河流的过流能力和渠道的损失系数由河流管理部门提供；(4)采用线性规划方法求解，以10天为时间步长，根据30年水文历史资料中的供水水库的上游河流入流量W_{riv_in}(t)，求解上述步骤(2)和步骤(3)构成的优化模型，得到优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)；(5)随机或人工生成多组权重系数w₁、w₂、w₃、w₄，满足w₁+w₂+w₃+w₄＝1，得到权重集合w^Ω，重复步骤(4)，计算得到多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，形成一个由多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)组成的非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))；(6)根据上述多组优化的供水水库向供水区的供水量W_{res_sup}(t)和供水水库的生态供水量W_eco(t)，通过下式计算人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}：$R_{s\_\mathrm{lack}}=(\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{dem}}\left(t\right)-\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{res}\_\sup }\left(t\right))/\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{dem}}\left(t\right)$$R_{\mathrm{eco}\_\mathrm{lack}}=(\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{edem}}\left(t\right)-\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{eco}}\left(t\right))/\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{edem}}\left(t\right);$当人类社会经济缺水率R_{s_lack}与生态缺水率R_{eco_lack}的值相等时(或某一个特定的协调值)，从非劣解集W^Ω(W_{res_sup}(t)，W_eco(t))中检索出与人类社会经济缺水率R_{s_lack}和生态缺水率R_{eco_lack}相等条件下(或某一个特定的协调值)相应的W_{res_sup}(t)和W_eco(t)；(7)根据上述W_{res_sup}和W_eco，利用下式计算生态库容V_eco：$V_{\mathrm{eco}}=V_{\mathrm{active}}g(\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{eco}}\left(t\right)/(\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{res}\_\sup }\left(t\right)+\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{eco}}\left(t\right)))$其中，V_active为从河流管理部门获取的当前供水水库的兴利库容。